共聚焦显微镜观测：镍基涂层的摩擦性能研究

现代制造业对机械零部件的摩擦学性能要求日益严苛，减摩耐磨涂层成为提升零部件使用寿命的关键技术。光子湾科技共聚焦显微镜的超高分辨率三维成像能力，可为涂层磨损表面的微观形貌分析提供技术支撑。本文以 20CrMo 钢基体（M）、镍基硬质涂层（NC）和镍基软硬复合涂层（SHC）为研究对象，通过系统的摩擦磨损实验，探究不同载荷和速度工况下的摩擦学性能。

 

实验设计与方法

本摩擦磨损性能实验在室温干摩擦条件下进行，采用球盘接触-旋转往复式摩擦磨损试验机，对磨副为Si₃N₄陶瓷球。基于赫兹接触理论，选取3N、6N、10N、15N四种载荷及0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.7m/s四种滑动速度，分别开展对研究对象（M、NC、SHC）在变载荷与变速度工况下进行摩擦磨损实验。通过记录摩擦系数、测量磨损量，并结合共聚焦显微镜分析磨痕形貌，系统评估摩擦学性能。

 

 

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变载荷工况下的摩擦磨损行为

6N 工况下各试样磨痕形貌和三维轮廓图：（a，a1）M；（b，b1）NC；（c，c1）SHC

在固定速度0.3m/s条件下，研究不同载荷对试样摩擦系数与磨损量的影响。结果显示，SHC在所有载荷下均表现出最低且最稳定的摩擦系数，约0.15左右；在15N时达到最低值0.14，相较于M与NC分别降低83%与80%。

磨损量方面，SHC在6N载荷下取得最优值0.0001g，较M降低93%。NC因表面硬度较高，在低载荷下摩擦系数略高于M，但随着载荷升高，其硬质磨屑被碾压形成稳定层，摩擦系数略有下降。M试样则因表面强度低，在载荷增加过程中摩擦系数呈波动上升趋势，磨损量随载荷增大而逐渐减小。

不同载荷工况下各试样磨痕深度及宽度变化规律图：（a）磨痕深度；（b）磨痕宽度

磨痕形貌分析表明，SHC在低载荷下磨痕较浅、边缘润滑剂堆积少；随着载荷增大，磨痕加深、宽度增加，尤其在10N时出现明显润滑剂脱落，磨损量最大；至15N时，润滑层重新形成，磨损减轻。NC磨痕始终较浅，表现出良好耐磨性；M则磨痕宽深、表面氧化明显。

 

 

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变速度工况下的摩擦磨损行为

不同速度工况下各试样磨痕深度及宽度变化规律图：（a）磨痕深度；（b）磨痕宽度

在固定载荷6N条件下，研究滑动速度对摩擦学性能的影响。SHC在各类速度下摩擦系数依然稳定在0.15左右，磨损量基本维持在0.0002g；在0.5m/s时磨损量最低，较M下降78%。M试样在低速下因表面易磨损导致摩擦系数较高，在高速下因磨屑被快速带离而摩擦系数降低。NC在0.3m/s时摩擦系数较高，高速下因硬质磨屑难以及时碾压带离，磨损量略有上升。

共聚焦显微镜分析显示，SHC在低速下磨痕边缘堆积明显；速度提高后，磨痕趋于平缓，润滑层更连续；但在0.7m/s时出现明显剥落，磨损量增大，表明其不适用于高速工况。

 

 

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磨痕形貌与表面损伤特征

通过共聚焦显微镜分析各试样磨痕形貌。SHC磨痕在载荷与速度增加过程中，呈现“浅–深–浅”和“窄–宽–窄”的变化趋势，伴随润滑剂的堆积、压实与局部脱落。NC磨痕始终较窄且浅，表面微孔结构有助于储存磨屑，减轻磨损。M磨痕宽且深，伴随明显犁沟与氧化层，磨损机制以塑性变形和氧化磨损为主。

SHC在6N、0.3m/s工况下形成连续稳定的复合润滑层，此时摩擦系数最低、磨损量最小，表现出最优综合性能。润滑层主要由PTFE与脱落的硬质颗粒碾压混合形成，其中MoS₂的加入增强了涂层整体性与抗磨能力。

本研究结合共聚焦显微技术，清晰揭示磨损形貌演变与润滑层形成机制，系统阐明了镍基软硬复合涂层（SHC）在宽载荷-多速度工况下的优异摩擦学行为。实验表明，SHC凭借“软-硬协同”结构及PTFE/MoS₂的润滑增强作用，在6 N、0.3 m/s工况下实现摩擦系数降低83%、磨损量下降93%的最佳性能。

 

 

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